Глубокое обучение и механизмы внимания для выявления ключевых генов и их значения для происхождения крыльев насекомых

Почему крылья насекомых важны для нас

Насекомые доминируют на планете по численности и разнообразию, и их крылья во многом объясняют это. Крылья позволяют насекомым расселяться, находить пищу, уходить от хищников и формировать целые экосистемы. Тем не менее ученые до сих пор спорят, как эти тонкие структуры впервые возникли из древних, бескрылых предков. В этом исследовании используются современные методы искусственного интеллекта для поиска подсказок в генетическом материале насекомых, что выявляет общий генетический набор между крыльями и жабрами и проливает новый свет на происхождение крыльев.

Оглядываясь в глубь древних морей

Чтобы понять происхождение крыльев, авторы исходят из простой идеи: современные насекомые, вероятно, произошли от ракообразных предков, живших в воде и дышавших жабрами. Альтернативные гипотезы предполагают, что крылья могли развиться из жаброобразных дыхательных органов, плоских пластинок на теле или боковых лопастей грудного отдела; некоторые исследования указывают на сочетание этих источников. Если крылья действительно восходят к жабрам, ключевые гены должны проявлять схожую активность в крыльях насекомых и в жабрах родственных водных видов. Вместо того чтобы проверять по нескольку генов за раз, команда решила просканировать полные наборы белков многих видов в поисках скрытых закономерностей, связанных с крыльями.

Обучение нейронной сети «читать» гены

Исследователи создали систему глубокого обучения, которую назвали DeepWG, чтобы различать белки видов с крыльями и без них. Они собрали протеомы 119 видов, включая насекомых и их ближайших родственников, и оставили только данные высокого качества. Каждая аминокислотная последовательность была разбита на короткие трехбуквенные фрагменты, подобно разбиению предложений на короткие словоформы. Эти фрагменты преобразовали в числовые векторы с использованием техник из обработки естественного языка, а затем подали в двунаправленную рекуррентную сеть с добавленным слоем внимания. Такая схема позволяет модели просматривать последовательности белков в обоих направлениях и фокусироваться на наиболее информативных участках без ручных правил.

Поиск генов, от которых зависят крылья

DeepWG показал высокую точность, корректно классифицируя тестовые образцы более чем в 97 процентах случаев и превосходя более простые нейросети. Слой внимания присваивает вес каждой семье родственных генов, выделяя те, которые наиболее важны для отличия видов с крыльями от бескрылых. Из почти 28 000 семейств генов верхние 5 процентов по весу дали 3 872 кандидата, включая множество уже известных генов, влияющих на формирование крыльев насекомых. Среди известных примеров — гены, контролирующие рост, узор и размер крыла, а также пути, управляющие делением клеток и ответом на сигналы. Сетевой анализ активности генов сгруппировал многие из этих генов в модули, тесно связанные с развитием крыла у дрозофилы, что добавляет уверенности в том, что DeepWG выявляет значимые участники процесса, а не случайный шум.

Крылья и жабры поют одну и ту же песню

Наиболее показательным оказался сравнительный анализ поведения этих ключевых генов в разных видах и тканях. Команда изучала дрозофилу, поденку с крыловыми зачатками и водными жабрами, и рачкообразного родственника с жабрами, но без крыльев. Они оценивали, насколько сильно «включены» кандидатные гены в крыльях, крыловых зачатках, жабрах и других тканях. Во всех трех видах один и тот же основной набор генов демонстрировал высокую активность в крыльях или крыловых зачатках и в жабрах, но не в несвязанных тканях. Это повторяющееся соотношение указывает на то, что современные крылья насекомых и жабры ракообразных опираются на общий генетический инструментарий, существовавший до возникновения полета.

Что это значит для истории полета

Для неспециалистов ключевая мысль такова: крылья насекомых, возможно, не являются совершенно новым изобретением, а представляют собой умелую переработку древних жабр, управляемую консервативным набором генов. Позволив нейронной сети просеять огромные массивы последовательностных данных, исследование выявляет сотни генов, связывающих крылья и жабры на дальних ветвях филогенетического древа членистоногих. Хотя многие фрагменты пазла остаются неполными, общая картина активности генов сильно поддерживает идею о том, что крылья выросли из жаброподобных структур у древних водных предков. DeepWG также предоставляет общий инструмент для прослеживания эволюции других важных признаков путем «чтения» языка геномов.

Цитирование: Liu, F., Cao, Y., Qian, S. et al. Deep learning and attention mechanisms to identify key genes and their implications for the origin of insect wings. Sci Rep 16, 15998 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49441-y

Ключевые слова: крылья насекомых, эволюция крыльев, глубокое обучение, экспрессия генов, жабры членистоногих